第三章 计算机网络体系结构船舶局域网.docx
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第三章计算机网络体系结构船舶局域网
第三章计算机网络体系结构
•系统讲解两种计算机网络体系结构模型，即开放互连参考模型和TCP/IP模型
3.1引言
•计算机网络的体系结构是指计算机网络层次结构模型和各层协议的集合，即计算机网络及其部件应实现的功能的定义和抽象。
•系统结构是抽象的，是存在于纸上的。
•实现是具体的，是运行在计算机软件和硬件之上的。
•为保证网络设计过程中的高度结构化和标准化，有必要学习计算机网络体系结构模型。
3.2开发系统互连参考模型
•3.2.1概述
•为了使不同体系结构的计算机网络都能互连，国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构研究该问题。
不久，他们就提出一个试图使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架，即著名的开放系统互连基本参考模型OSI/RM（OpenSystemsInterconnection/ReferenceModel），简称为OSI。
关于开放系统互连参考模型OSI/RM
•只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何系统进行通信。
•在市场化方面OSI却失败了。
–OSI的专家们在完成OSI标准时没有商业驱动力；
–OSI的协议实现起来过分复杂，且运行效率很低；
–OSI标准的制定周期太长，因而使得按OSI标准生产的设备无法及时进入市场；
–OSI的层次划分并也不太合理，有些功能在多个层次中重复出现。
3.2.2OSI/RM基本概念
•实体和对等实体
•实体（entity）是每一层中实现该层功能的软件和硬件，在发送端与接收端同一层次中的实体称为对等实体（peerentities）。
在概念上信息是在同一层次中的同等实体之间进行的虚拟的传输，协议也是同等层次实体之间的传输控制规程。
•协议（protocol）是某一个层次中对等实体之间的通信的控制规程。
协议包含三个方面的要素：
（1）语法：
语法用来规定由协议的控制信息和传送的数据组成的传输信息应遵循的格式，即传输信息的数据结构。
（2）语义：
语义指对构成协议的各个协议元素的含义的解释，不同的协议元素规定了通信双方所要表达的不同含义。
（3）时序（同步）：
它规定实体间通信的操作执行的顺序，协调双方的操作，使两个实体之间有序地进行合作，共同完成数据传输任务。
•各层对等实体之间在协议控制下变换的数据块称为协议数据单元（protocoldataunit，PDU）。
PDU包括本层的协议控制信息和用户数据，本层的用户数据就是上层的PDU。
各层次的PDU
•物理层位
•数据链路层帧
•网络层分组或包
•传输层段
•会话层、表示层、应用层消息
• 在OSI网络中，（N）实体在（N）协议的控制下可以向（N+1）实体提供服务，实现某种（N+1）层所需要的功能，只有能为（N+1）层所使用的功能才称为（N）服务。
•其中（N）实体为服务提供者，（N+1）实体为服务用户。
在同一结点中，相邻两层的实体相互作用的地方称为服务访问点（SAP，Serviceaccesspoint）。
SAP是上下层实体之间信息交换的接口。
服务有两种形式：
•
（1）面向连接的服务：
建立连接，用后释放。
•
（2）无连接的服务：
根据地址选定线路传递。
面向连接和无连接服务
•用于数据通信的两种不同的传输数据技术。
每种都各有优点和缺点。
它们是面向连接的方法和无连接的方法。
•面向连接（connection-oriented），在发送任何数据之前，要求建立会话连接（与拨打电话类似），然后才能开始传送数据，传送完成后需要释放连接。
建立连接是需要分配相应的资源如缓冲区，以保证通信能正常进行。
这种方法通常称为“可靠”的网络业务。
它可以保证数据以相同的顺序到达。
面向连接的服务在端系统之间建立通过网络的虚链路
•无面向连接（connectionless），不要求发送方和接收方之间的会话连接。
发送方只是简单地开始向目的地发送数据分组（称为数据报）。
这与现在风行的手机短信非常相似：
你在发短信的时候，只需要输入对方手机号就OK了。
此业务不如面向连接的方法可靠，但对于周期性的突发传输很有用。
系统不必为它们发送传输到其中和从其中接收传输的系统保留状态信息。
无连接网络提供最小的服务，仅仅是连接。
无连接服务的优点是通信比较迅速,使用灵活方便,连接开销小;但可靠性低,不能防止报文的丢失,重复或失序.适合于传送少量零星的报文。
3.2.3OSI/RM各层基本功能
OSI参考模型概论：
特点
•OSI参考模型把网络连接问题分解成小的简单的问题，简化了相关的网络操作，易于学习和应用。
•OSI参考模型仅仅定义了抽象的结构，而非具体实现的描述。
•推论：
灵活性好，某一层改变时，只要接口不变，其他各层不会受影响
•每一层只负责完成本层的工作内容，而不关心其它层的工作细节。
•每一层的正常工作，必然要依赖于以下的各层都能正常工作。
OSI参考模型的物理层
•核心任务：
源站点如何将数据变成信号，在物理链路上传输至目的站点（发送和接收比特）
•定义内容：
定义为建立、维护和拆除物理链路所需要的机械的、电气的、功能的和规程的特性。
涉及有关在物理链路上传输非结构的位流和故障检测指示。
物理层：
基带与宽带
•基带：
介质的全部频宽用于在一个信道上传输一路数据
数据传输率较大;可以实现双工通信（全双工或半双工）;绝大数局域网均采用基带传输
•宽带：
将一条物理线路分成两个或两个以上信道，每个信道发送一路不同的数据。
线路复用，充分利用线路资源;常用于广域网技术中
物理层：
单工、半双工、全双工
•单工通信单向传输;有线电视系统
•半双工通信双向传输，但某一时刻是单向的;步话机
•全双工通信在任意时刻均为双向传输;现代电话系统
物理层：
常见的传输介质
双绞线:
UTP/STP（UnsieldedTwistedPairwire/ShieldeTwistedPairwire））
同轴电缆（CoaxialCable）:
RG58A/U细缆RG11粗缆
光纤（OpticalFiber）：
SC、ST、MT-RJ、GBIC（LX、SX）无线
OSI参考模型的数据链路层
•核心任务：
在不太可靠的物理连路上实现可靠的数据传输
•定义内容：
网络节点的物理地址;如何使用物理介质;错误通告;网络拓扑结构
–流量控制
•数据链路层的最基本的功能是向该层用户提供透明的和可靠的数据传送基本服务。
透明性是指该层上传输的数据的内容、格式及编码没有限制，也没有必要解释信息结构的意义；可靠的数据链路层传输使用户免去对丢失信息、干扰信息及顺序不正确等的担心。
在物理层中这些情况都可能发生，在数据链路层中必须用纠错码来检错与纠错。
•数据链路层是对物理层传输原始比特流的功能的加强，将物理层提供的可能出错的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一无差错的线路。
如果您想用尽量少的词来记住数据链路层，那就是：
“帧和介质访问控制”。
数据链路层：
媒体访问控制层的任务
•MAC,MediaAccessControl
•将上层传下来的数据封装成帧进行发送，接收时进行相反的过程，将帧解封装传递给上层;完成发送方占用信道的问题;定义MAC地址;定义拓扑结构
数据链路层：
信道的占用方式
争用Contention：
以太网采用的方法
令牌TokenPass：
令牌网采用的方法
数据链路层：
MAC地址
•MAC地址：
网络设备的物理地址
–以太网的MAC地址为48位二进制代码，一般写成12位16进制数的形式
•前面的24位由IEEE赋值，为厂商代码
•后面的24位由厂商自己赋值，为生产序列码
–MAC地址是全球唯一的
–MAC地址用来区分网络上的各个设备。
各个设备根据数据帧中的目的MAC地址来识别该帧是不是发给自己的。
数据链路层
数据链路连接的建立与拆除；链路的接入控制；提供传输透明性；流量控制；差错控制
帧同步
•为了使传输中发生差错后只将有错的有限数据进行重发，数据链路层将比特流组合成以帧为单位传送。
每个帧除了要传送的数据外，还包括校验码，以使接收方能发现传输中的差错。
帧的组织结构必须设计成使接收方能够明确地从物理层收到的比特流中对其进行识别，也即能从比特流中区分出帧的起始与终止，这就是帧同步要解决的问题。
由于网络传输中很难保证计时的正确和一致，所以不可采用依靠时间间隔关系来确定一帧的起始与终止的方法。
•
（1）字节计数法：
这是一种以一个特殊字符表示一帧的起始并以一个专门字段来标明帧内字节数的帧同步方法。
接收方可以通过对该特殊字符的识别从比特流中区分出帧的起始并从专门字段中获知该帧中随后跟随的数据字节数，从而可确定出帧的终止位置。
面向字节计数的同步规程的典型代表是DEC公司的数字数据通信报文协议DDCMP（DigitalDataCommunicationsMessageProtocol）。
DDCMP采用的帧格式如图3-1。
•
（2）使用字符填充的首尾定界符法：
该法用一些特定的字符来定界一帧的起始与终止，为了不使数据信息位中出现的与特定字符相同的字符被误判为帧的首尾定界符，可以在这种数据字符前填充一个转义控制字符（DLE）以示区别，从而达到数据的透明性。
但这种方法使用起来比较麻烦，而且所用的特定字符过份依赖于所采用的字符编码集，兼容性比较差。
•数据链路层
•（3）使用比特填充的首尾标志法：
该法以一组特定的比特模式（如01111110）来标志一帧的起始与终止。
本章稍后要详细介绍的HDLC规程即采用该法。
为了不使信息位中出现的与特定比特模式相似的比特串被误判为帧的首尾标志，可以采用比特填充的方法。
比如，采用特定模式01111110，则对信息位中的任何连续出现的五个“1”，发送方自动在其后插入一个“0”，而接收则做该过程的逆操作，即每接收到连续五个“1”，则自动删去其后所跟的“0”，以此恢复原始信息，实现数据传输的透明性。
比特填充很容易由硬件来实现，性能优于字符填充方法。
•（4）违法编码法：
该法在物理层采用特定的比特编码方法时采用。
例如，一种被称作曼彻斯特编码的方法，是将数据比特“1”编码成“高－低”电平对，而将数据比特“0”编码成“低－高”电平对。
而“高－高”电平对和“低－低”电平对在数据比特中是违法的。
可以借用这些违法编码序列来定界帧的起始与终止。
局域网IEEE802标准中就采用了这种方法。
违法编码法不需要任何填充技术，便能实现数据的透明性，但它只适用于采用冗余编码的特殊编码环境。
由于字节计数法中COUNT字段的脆弱性以及字符填充法实现上的复杂性和不兼容性，目前较普遍使用的帧同步法是比特填充和违法编码法。
•流量控制
•流量控制并不是数据链路层所特有的功能，许多高层协议中也提供流时控功能，只不过流量控制的对象不同而已。
比如，对于数据链路层来说，控制的是相邻两节点之间数据链路上的流量，而对于运输层来说，控制的则是从源到最终目的之间端的流量。
由于收发双方各自使用的设备工作速率和缓冲存储的空间的差异，可能出现发送方发送能力大于接收方接收能力的现象，如若此时不对发送方的发送速率（也即链路上的信息流量）作适当的限制，前面来不及接收的帧将被后面不断发送来的帧“淹没”，从而造成帧的丢失而出错。
由此可见，流量控制实际上是对发送方数据流量的控制，使其发送率不致超过接收方所能承受的能力。
这个过程需要通过某种反馈机制使发送方知道接收方是否能跟上发送方，也即需要有一些规则使得发送方知道在什么情况下可以接着发送下一帧，而在什么情况下必须暂停发送，以等待收到某种反馈信息后继续发送。
差错控制
•一个实用的通信系统必须具备发现（即检测）这种差错的能力，并采取某种措施纠正之，使差错被控制在所能允许的尽可能小的范围内，这就是差错控制过程，也是数据链路层的主要功能之一。
•数据链路;帧与报文;媒体访问控制
OSI第三层：
网络层
•目的：
完成网络之间的数据传输
•任务：
寻找网络地址－网络寻址;完成网络间数据传输－交换传输;路由选择算法－路径选择
•网络层：
接收源机的报文，把它转换成报文分组（包），而后送到指定目标机器。
•报分分组：
把它到达目标机后再装配还原为报文。
•网络层具体功能包括寻址和路由选择、连接的建立、保持和终止。
•1提供虚电路（面向连接）和数据报（非连接）
•2分组转发、路由选择与更新
网络层-路由选择及其算
•通信子网络源节点和目的节点提供了多条传输路径的可能性。
网络节点在收到一个分组后，要确定向一下节点传送的路径，这就是路由选择。
在数据报方式中网络节点要为每个分组路由做出选择；而在虚电路方式中，只需在连接建立时确定路由。
确定路由选择的策略称路由算法。
设计路由算法时要考虑诸多技术要素。
1首先是路由算法所基于的性能指标，一种是选择最短路由，一种是选择最优路由；2其次要考虑通信子网是采用虚电路还是数据报方式；3其三，是采用分布式路由算法，即每节点均为到达的分组选择下一步的路由，还是采用集中式路由算法，即由中央点或始发节点来决定整个路由；4其四，要考虑关于网络拓扑，流量和延迟等网络信息的来源；最后，确定是采用动态路由选择策略，还是选择静态路由选择策略。
•1、静态路由选择策略：
静态路由选择策略不用测量也无须利用网络信息，这种策略按某种固定规则进行路由选择。
其中还可分为泛射路由选择、固定路由选择和随机路由选择三种算法。
2、动态路由选择策略：
节点路由选择要依靠网络当前的状态信息来决定的策略称动态路由选择策略，这种策略能较好地适应网络流量、拓扑结构的变化，有利于改善网络的性能。
但由于算法复杂，会增加网络的负担，有时会因反应太快引起振荡或反应太慢不起作用。
独立路由选择、集中路由选择和分布路由选择是三种动态路由选择策略的具体算法。
网络层-阻塞控制
•阻塞现象是指到达通信子网中某一部分的分组数量过多，使得该部分网络来不及处理，以致引起这部分乃至整个网络性能下降的现象，严重时甚至会导致网络通信业务陷入停顿，即出现死锁现象。
这种现象跟公路网中通常所见的交通拥挤一样，当节假日公路网中车辆大量增加时，各种走向的车流相互干扰，使每辆车到达目的地的时间都相对增加（即延迟增加），甚至有时在某段公路上车辆因堵塞而无法开动（局部死锁）。
•术语逻辑地址寻址：
垮网络，需使用网络层的逻辑地址。
路由：
最佳路径
网络层与数据链路层区别
•前者解决多个独立网络之间的数据传输;后者的寻址是在同一个网络进行的，解决相邻节点间的通信问题。
OSI第四层：
传输层
•第一个端到端，即主机到主机的层次
•目的：
保证端到端无误的传输;向高层用户屏蔽下面通信各层的细节;补偿下层传输的缺陷，使得端与端之间传输透明
•任务：
将上层数据分段重组传给下层;为保证端到端的传输，连接服务
•传输层，是两台计算机经过网络进行数据通信时，第一个端到端的层次，具有缓冲作用。
当网络层服务质量不能满足要求时，它将服务加以提高，以满足高层的要求；当网络层服务质量较好时，它只用很少的工作。
传输层还可进行复用，即在一个网络连接上创建多个逻辑连接。
•传输层（TransportLayer）是OSI中最重要,最关键的一层,是唯一负责总体的数据传输和数据控制的一层。
•传输层提供端到端的交换数据的机制.传输层对会话层等高三层提供可靠的传输服务,对网络层提供可靠的目的地站点信息。
•传输层提供了主机应用程序进程之间的端到端的服务，基本功能如下
•
（1）分割与重组数据
（2）按端口号寻址（3）连接管理（4） 差错控制和流量控制,纠错的功能
•传输层要向会话层提供通信服务的可靠性，避免报文的出错、丢失、延迟时间紊乱、重复、乱序等差错。
•数据链路层与传输层的区别
•前者解决：
节点与节点之间的通信，总有一条物理通道将两者连接在一起。
•后者解决：
与通信子网相连接的两台计算机的通信。
OSI第五层：
会话层
--网络通信的交通警察
•目的：
提供两进程之间建立、维护、和结束会话连接的功能;提供交互会话的管理功能，如单工、半双工、全双工的模式选择
•任务：
提供会话（Session）连接;会话管理;异常报告
•会话管理：
建立连接；数据传输；释放连接
•会话层（SESSIONLAYER）允许不同机器上的用户之间建立会话关系。
会话层循序进行类似的传输层的普通数据的传送，在某某些场合还提供了一些有用的增强型服务。
允许用户利用一次会话在远端的分时系统上登陆，或者在两台机器间传递文件。
会话层提供的服务之一是管理对话控制。
•会话层允许信息同时双向传输，或任一时刻只能单向传输。
如果属于后者，类似于物理信道上的半双工模式，会话层将记录此时该轮到哪一方。
一种与对话控制有关的服务是令牌管理（tokenmanagement）。
•如果在平均每小时出现一次大故障的网络上，两台机器简要进行一次两小时的文件传输，试想会出现什么样的情况呢？
每一次传输中途失败后，都不得不重新传送这个文件。
当网络再次出现大故障时，可能又会半途而废。
为解决这个问题，会话层提供了一种方法，即在数据中插入同步点。
每次网络出现故障后，仅仅重传最后一个同步点以后的数据（这个其实就是断点下载的原理）。
OSI第六层：
表示层—
应用程序与网络之间的翻译官
•目的：
将数据转换成计算机应用程序相互理解的格式；为异种机通信提供一种公共语言
•任务：
代表应用进程协商数据表示；完成数据转换、格式化和文本压缩
•翻译:
ASCIItoEBCDIC扩充的二进制编码的十进制交换码（ExtendedBinaryCodedDecimalInterchangeCode）
•加密和解密
–防止数据被截获后失密
–防止数据被中途篡改
•压缩和解压
–减少需要实际传输的数据量
–提高网络的使用效率
OSI第七层：
应用层
•目的：
处理网络应用，为用户的应用程序提供网络服务
•任务：
判断是否为所需的通信过程留有足够的资源；识别并证实目的通信方的可用性；使协同工作的应用程序之间进行同步；建立传输错误纠正和数据完整性控制方面的协定
•本层实例：
HTTPFTPPOP3/SMTP……
•应用层协议和应用程序
–HTTP：
IE，Netscape，Opera，……
–FTP：
CuteFTP，NetAnts，FlashGet，……
–POP3/SMTP：
FoxMail，TheBat!
，……
分层的好处
•各层之间是独立的：
某一层并不需要知道它的下一层是如何实现，而仅需知道该层通过层间接口（即界面）所提供的服务。
•灵活性好：
任何一层发生变化时（如由于技术变化），只要层间的接口关系不变，则这层以上或以下均不受影响。
。
•结构上可分割开：
各层都可以采用最合适技术来实现。
易于实现和维护。
能促进标准化工作。
3.3TCP/IP体系结构
•TCP/IP是四层的体系结构：
应用层、运输层、网际层和网络接口层。
•最下面的网络接口层并没有具体内容。
•因此往往采取折中的办法，即综合OSI和TCP/IP的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。
•应用层（applicationlayer）运输层（transportlayer）网络层（networklayer）
•数据链路层（datalinklayer）物理层（physicallayer）
应用层
•最高层；
•应用层是原理体系结构中的最高层。
应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要（这反映在用户所产生的服务请求）。
•常用HTTP、FTP等属于应用层协议。
运输层
•运输层的任务就是负责主机中两个进程之间的通信，其数据传输的单位是报文段（segment）。
运输层具有复用（multiplexing）和分流/分用（demultiplexing）的功能。
•因特网的运输层可使用两种不同协议。
即面向连接的传输控制协议TCP（TransmissionControlProtocol），和无连接的用户数据报协议UDP（UserDatagramProtocol）。
网络层
•网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信。
在网络层，数据的传送单位是分组或包。
在TCP/IP体系中，分组也叫作IP数据报，或简称为数据报。
•因特网是一个很大的互联网，它由大量的异构（heterogeneous）网络通过路由器（router）相互连接起来。
因特网主要的网络层协议是无连接的网际协议IP（InternetProtocol）和许多种路由选择协议，因此，因特网的网络层也叫做网际层或IP层。
数据链路层
•数据链路层的任务是在两个相邻结点间的线路上无差错地传送以帧（frame）为单位的数据。
每一帧包括数据和必要的控制信息。
数据链路层有时也常简称为链路层。
•数据链路层就把一条有可能出差错的实际链路，转变成为让网络层向下看去好像是一条不出差错的链路。
物理层
•任务：
透明地传送比特流。
在物理层上所传送的单位是比特。
•注意：
传递信息所利用的一些物理媒体如双绞线、同轴电缆不包括在该层内
•透明含义：
某一实际存在的事物看起来好像并不存在一样。
“透明地传送比特流”表示经实际电路传送后的比特流没有发生变化。
•物理层要考虑用多大的电压代表1或0，以及在发送端发出1时，在接收端如何识别这是1而不是0.物理层还要考虑连接电缆的插头应当有多少根线以及这些线如何连接。
OSI与TCP/IP体系结构的比较
TCP/IP基本概念
•网络协议:
在计算机网络中通信主体间共同遵守的规则与约定。
•TCP/IP协议是Internet中计算机之间通信所必须共同遵循的一种通信规定；
•TCP/IP是以传输控制协议和网际协议为核心的一组协议。
TCP/IP的发展
–在TCP/IP协议研究时没有提出参考模型；
–1974年Kahn定义了最早的TCP/IP参考模型；
–1985年Leiner、Clark等对TCP/IP参考模型进一步的研究；
–TCP/IP协议一共出现了6个版本，后3个版本是版本4、版本5与版本6；
–目前我们使用的是版本4，一般被称为IPv4；
–IPv6被称为下一代的IP协议。
TCP/IP的主要特点
1.功能丰富
–是以TCP和IP为核心的一组协议，还包括有FTP、HTTP、SMTP、POP等一系列的协议。
基本可以满足网络服务的各种功能。
2.开放性
–由非专利性质的协议组成，这些协议不属于任何一家公司。
任何人都可以使用这些技术。
并且随着新的网络服务的出现，TCP/IP协议还在不断的补充。
3.普遍性
–由于开放，所以被普遍使用，并成为一个工业标准，从而得到大多数网络设备制造商的认同。
TCP/IP参考模型
•TCP/IP分为四个层次，分别是网络接口层、网际层、传输层和应用层。
•TCP/IP的层次结构与OSI层次结构的对照关系如下图所示：
1.网络接口层
•又被称为网络访问层，包括了能使用TCP/IP与物理网络进行通信的协议，它对应OSI的物理层和数据链路层。
TCP/IP标准并没有定义具体的网络接口协议，仅定义了如何与不同网络进行接口。
–TCP/IP参考模型的最低层，负责通过网络介质发送和接收TCP/IP数据包;
–允许主机连入网络时使用多种现成的
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